試論量子點熒光材料在白光LED中的應用

崔磊 何華強 麥杰平

摘? ?要：熒光量子點是新型無機的納米材料，因其特殊的性質受到了廣泛的關注。熒光量子點在太陽能電池發光二極管和生物標記等方面有重要的應用價值。在本文的研究中，主要核心在于量子點在白光LED方面的應用，對量子點的形成機理和發光機理進行了闡述，通過量子點的材料在白光LED中的應用明確了熒光量子點需要采用原位合成的方法制備硅樹脂，通過固化后形成了復合薄膜。通過具體的技術應用來改善量子點的分散問題，使合成的量子點復合材料能夠更好的應用于制備白光LED的要求，通過熒光量子點的技術應用使LED的顯色指數明顯提高。

關鍵詞：量子點? 熒光材料? 白光LED? 原理? 應用

量子點是一種人為的半導體納米材料，導帶和價帶之間的帶隙寬度是半導體材料的重要參數，由于材料本身的性質決定的半導體的帶寬度是固定的，在納米半導體的顆粒尺寸小于10nm時，性能上就發生了重大的變化。在過去對量子點的研究過程中可以發現通過溫度濃度等方式來控制量子點的組分尺寸和形狀，能夠具有較高的熒光量子效率，而且光的穩定性和熱穩定性都非常好，量子點已經應用在商業顯示器的領域中，通過技術上的改善量子點熒光材料在白光LED中的應用，獲得了理論和實踐上的重要突破。

1? 量子點材料的原理和特性

1.1 量子點的概念

量子點（quantum dot）其實是一種納米級別的半導體，通過對這種納米半導體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發出特定頻率的光，而發出的光的頻率會隨著這種半導體的尺寸的改變而變化，因而通過調節這種納米半導體的尺寸就可以控制其發出的光的顏色，由于這種納米半導體擁有限制電子和電子空穴（Electron hole）的特性，這一特性類似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點（如圖1所示）。

1.2 量子點的材料特性

量子點的發射光譜是通過改變量子點的大小來控制的，通過改變化學組成實現量子點的尺寸變化，進而實現不同尺寸量子點的發光譜覆蓋整個可見光區。發射波長可以從510nm到660nm，而硅量子點和其他量子點的發光可以到近紅外區，量子點具有光穩定性的良好效應，量子點的熒光強度比較好具有較好的穩定性。通過量子點可以實現物體長時間的觀察效應，根據細胞中生物分子長期互作用的原理，可以發現量子點比離子鍵更有光的穩定性，量子點擁有較寬的激發譜和窄的發射譜，在同一個發光源可以對不同的量子點進行檢測，能夠極大促進在熒光標記中的應用，量子點有窄而對稱的熒光發射峰型，在與其他物質使用的時候不容易出現光譜交疊的現象。量子點與其他生物的相容性較好，經過化學的修飾以后進行特異性連接，對生物體的危害較小，在各種量子點中，硅量子點是應用最廣泛的物質，根據實驗可以發現有機熒光染料和熒光壽命僅為幾納秒，而通過直接帶隙的量子點熒光壽命可以達到數十納秒，量子點的激發光譜寬，而且分布較廣，發射光譜較窄而且對稱，熒光壽命較長量子點是理想的熒光探針。

2? 量子點熒光材料在白光LED中的應用

量子點材料的制備主要要根據實際應用的要求進行控制，在白光LED中主要采用的材料為稀土熒光粉作為熒光轉換材料，通過稀土熒光粉制備白光LED，在LED點亮之后，發光亮度呈現出較高的狀態，光譜中缺少紅色部分，其顯色指數低，色溫太高，由于稀土不可再生，國家對于稀土的控制產量，非常嚴格，就會導致了稀土熒光粉的價格上升，在材料制備的過程中，各種熒光粉在混合生成之后，兼容性不能很好的解決。在材料制備中可以發現高效率，低色溫高亮度的要求是很難達到的，通過量子點作為新型的無機納米材料作為光轉換材料用于制備白光LED，量子點就具有很高的熒光效率，發射的光譜連續性可以得到有效控制，而且具有很寬的吸收譜，用量子點制備更加符合要求，這是量子點優異性能的主要表現。量子點的制備方法可以有物理方法和化學方法，合成共價健是量子點，如硅量子點時由物理方法為主，而在合成具有離子鍵的量子點，如硫化鎘量子點時主要采用的是化學方法，在具體的方法中采用的是膠體化學方法在有機體中合成，另一種方法是水溶液中合成，其中金屬有機合成法主要是采用。二甲基（Cd（CH3）2）、三辛基硒化膦（SeTOP）作為前體，三辛基氧化膦（TOPO）作為配位溶劑，合成了高效發光的硒化鎘（CdSe）量子點，由于CdSe納米顆粒不溶于甲醇，可以加入過量甲醇，通過離心分離得到CdSe納米顆粒，其量子產率約為10%。另一種方法，水相直接合成法具有操作簡便，成本低，表明性質可控的優點。水相直接合成水溶性量子點技術主要以水溶性巰基試劑作穩定劑。用氨基葡聚糖（aminodextran，Amdex）作穩定劑，在室溫下合成了CdSe量子點。評價LED發光質量的標準主要是色坐標顯色指數色溫，發光效率，色澤標示顏色的坐標需要根據光源的光譜分布和基本規則計算而得出，純正的白光色標為（0.33，0.34），顯色指數是光源對物體的顯色能力，數值越小，光源的顯色性就越差。色溫是某個黑體加熱到一定程度發光的顏色和光源發出的顏色是否相同。發光效率是光源發出的光的總通量與消耗的電功率的比值。在具體應用中，通過原位合成方法制備了硅樹脂固化至成功，固化以后將量子點與其合成通過加入三甲氧基硅烷進行表面性質改變，量子點就會在硅樹脂中分散而制備的復合量子點復合薄膜在量子點不吸收的波段，透過率就會接近100%，而且具有良好的熱穩定性制備好的量子點復合材料用于封裝LED芯片時，改變了黃綠光量子點的用量，白光LED的色溫能夠達到3692-5311k，發光的效率最高能夠達到? 94.321m/W，而加入了紅光量子點后，顯色指數能夠明顯提高，白光LED的整體性能就可以進一步提高相關性能。

3? 結語

量子點材料具有性能上的良好效果，在白光LED的具體應用中可以發現，量子點材料具有寬的激發譜，窄的發射譜，光的穩定性能比較好，在應用中需要注意水和熱等相關因素的材料應用，量子點的形成機理和發光機理，需要明確其組分和尺寸以及光學性能的要求。在研究的過程中，確認好實驗的時間以及相關輔助材料的應用。量子點材料可以應用在更廣泛的領域，量子點作為電致發光材料應用在LED器件上，實現了熒光技術在生物技術領域上的應用，采用量子點制備出的復合材料，使得白光LED更加符合現代化工業的要求。

參考文獻

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